São Paulo, 28 de maio de 2024

20/04/2024

Redução dos custos de produção com pastilhas de PCBN

(*) Anderson Fontes e Carlos Ancelmo

(21/04/2024) – É possível encontrar várias definições para o conceito de dureza em diferentes fontes acadêmicas ou mesmo no dicionário. De forma prática, a dureza é a resistência que um material tem à penetração de um outro material mais duro que ele.   Assim sendo, a dureza é uma das propriedades mais requeridas dos materiais de engenharia, pois muitas vezes outras propriedades como a resistência à tração, às altas temperaturas ou ao desgaste são associadas a ela.

Dependendo da solicitação durante as diversas aplicações finais dos materiais, a dureza contribuirá para o melhor funcionamento dos componentes aumentando a vida útil e, por outro lado, tornando mais difícil o seu processamento, afinal de um modo geral tudo o que melhora as propriedades mecânicas ou químicas de um material dificulta a usinabilidade.

Os teores de elementos de liga como cromo, níquel, molibdênio ou vanádio, além dos tratamentos térmicos, como a têmpera, ou termoquímicos, como nitretação e cementação, contribuem para o aumento da dureza e determinar as características da microestrutura do material.

Pastilhas de PCBN – As ferramentas de corte utilizadas para o processamento de materiais endurecidos devem apresentar dureza ainda mais elevada que as ferramentas utilizadas para a usinagem de materiais convencionais. As classes de metal duro com maior dureza são capazes de usinar materiais com até 45 HRC (Rockwell C). Já as pastilhas cerâmicas são mais resistentes e apresentam bons desempenhos em materiais de até 55 HRC.

As ferramentas de nitreto cúbico de boro policristalino, conhecidas popularmente como CBN ou PCBN, têm sido cada vez mais utilizadas em aplicações industriais por promoverem reduções significativas dos custos de fabricação, apesar de serem relativamente mais caras que as ferramentas de outros materiais. Com durezas superiores a 4000 HV (Vickers), as ferramentas de PCBN têm capacidade de usinar materiais endurecidos, tais como aços ferramentas, aços rápidos, ferros fundidos cinzentos e brancos com altas velocidades de corte.

Aços endurecidos com 60 a 68 HRC podem ser usinados com velocidades de corte superiores a 200 m/min em substituição às operações de retífica e em alguns casos é possível eliminar a usinagem no estágio pré-tratamento térmico, executando-a apenas após o endurecimento do material, o que proporciona redução de tempos de fabricação e custos de usinagem. A taxa de remoção é muito alta, tal qual a vida útil da ferramenta.

Outro fator que pode contribuir para aumentar o desempenho das ferramentas de PCBN é o tratamento das arestas de corte. Os chanfros e arredondamentos dos gumes, que podem ser aplicados de forma combinada ou separadamente conforme a severidade das aplicações, colaboram para a obtenção de vidas úteis ainda maiores em operações de cortes interrompidos, que podem ser causados pelos processos de obtenção da peça ou pela própria geometria do componente. Os tratamentos de aresta proporcionam maior proteção, diminuindo a agudeza do fio de corte e tornando ferramenta “mais negativa”.

As medidas de chanfros e raios variam em largura e ângulos, sendo que os menores são utilizados em condições de corte moderadas, onde os impactos existem, porém, com algum tipo de alívio, ou maiores para condições mais difíceis, em que o número de impactos por corte é maior e a superfície usinada é mais irregular. As dimensões típicas são larguras entre 0.15 e 0.3 mm com ângulos entre 10° e 20°.

Exemplos de aplicações das pastilhas de CBN – As ferramentas de PCBN são utilizadas quando se necessita de resistência ao desgaste e bom acabamento superficial em usinagem de materiais como aços endurecidos e ferros fundidos. Entre os exemplos de peças: Engrenagens; Rolamentos; Eixos de Transmissão; Peças automotivas.

As condições de usinagem são determinantes na seleção da classe de pastilha que assim como o metal duro apresenta opções de maior dureza ou maior tenacidade. A escolha do tratamento de aresta deve levar em conta a geometria da peça e as interrupções do corte. Os chanfros e arredondamentos da aresta atuam para proteger o gume da ferramenta em condições de impacto gerado pelas oscilações dimensionais da peça.

As pastilhas de PCBN estão normalmente disponíveis em versões integrais, soldadas ou brasadas, com opções de face única ou dupla. No caso de pastilhas brasadas ou soldadas, as profundidades de corte recomendadas são pequenas, geralmente limitadas de acordo com as dimensões da ponta de PCBN e as aplicações indicadas para a usinagem de materiais endurecidos em operações de substituição de retíficas.

As pastilhas integrais, por sua vez, apresentam maior capacidade de penetração e são aplicadas em operações que requeiram maior robustez em ferros fundidos e materiais temperados.

Testes de usinagem realizados em ferro fundido branco – Recentemente, a equipe técnica da Gesac do Brasil foi convidada a testar as suas classes de PCBN na usinagem por um fabricante de bombas voltadas para o mercado de mineração, que tinha o objetivo de aumentar a produtividade da fabricação e a vida útil dos insertos.

Os testes foram realizados em tornos verticais CNC, com capacidade para fixação de peças de cerca de um metro de diâmetro.  A fixação das ferramentas foi feita através de um cone ISO 50 com adaptador para hastes de torneamento com 50 mm de altura. A fixação da peça foi realizada através de uma placa vertical.

O matéria-prima de teste foi o ferro fundido branco, liga exclusiva, com dureza de aproximadamente 60 HRC. O material apresentava baixa usinabilidade especialmente por causa dos cortes interrompidos severos, devido às porosidades resultantes do processo de fundição.

Os parâmetros de corte foram determinados com o objetivo de manter maior tempo de contato possível, uma vez que os diâmetros eram próximos a um metro. Desta forma, dados como velocidade de corte, avanço, profundidade e classe do inserto foram ajustados para a obtenção da condição ideal.

As pastilhas utilizadas foram as RNGN120400 em duas opções de classes BKN 225 para ferros fundidos e BHN 225 para materiais endurecidos. A figura 6, indica os campos de aplicação PCBN Gesac para as classes de ferros fundidos e materiais endurecidos.

Um outro fator considerado durante os testes, foi o tamanho do chanfro de proteção de aresta. Teoricamente, os chanfros contribuem para aumentar a resistência ao impacto apresentada pelas pastilhas. O aumento de resistência, tende a ser proporcional ao aumento da largura do chanfro. A linha Gesac oferece 4 padrões de chanfros em suas opções de catálogo e conforme a figura 7 é possível identificar as suas denominações e aplicações.

Durante os testes, o critério utilizado para determinar o fim de vida das pastilhas foi a observação dos diferentes tipos de desgastes e avarias encontrados no decorrer do corte.

De modo geral, o desgaste de cratera formado na região do chanfro da aresta e possivelmente causado por fenômenos como a abrasão e difusão em função da alta pressão de corte e temperatura, foi o critério mais importante utilizado por tornar o fim de vida mais previsível. Em alguns testes, porém, foi notada a presença de lascamentos ou quebras de aresta decorrentes do corte interrompido causado pela porosidade da superfície da peça. As figuras 8 e 9 mostram exemplos de desgastes e avarias encontradas ao final da usinagem.

Fig. 8 – Pastilha RNGN120400M- BKN225 Chanfro M apresentando desgaste de cratera na região do chanfro e lascamento na região da profundidade de corte. A BKN225S foi a classe de melhor desempenho durante os testes.

 

Fig. 9 – Pastilha RNGN120400H-BKN225, Chanfro H, com lascamento causado pelo impacto com as regiões de porosidade.

Resultados e Conclusões – Durante os testes, os insertos de PCBN Gesac apresentaram vidas úteis consistentemente maiores que as pastilhas concorrentes, sendo que, em algumas operações, apresentaram até 55% mais tempo de contato por aresta, como pode ser observado na figura 10.

  • As pastilhas de classe BKN 225, indicadas para a usinagem de ferros fundidos, apresentaram o melhor desempenho na usinagem de ferros fundidos brancos. Durante os testes realizados as pastilhas BKN foram mais resistentes que as classes para usinagem de materiais endurecidos.
  • As pastilhas com chanfros do tipo M (médio) apresentaram maior vida útil que as pastilhas com chanfro tipo H (pesado) na aplicação em questão, embora a pastilha H não tenha aparecido na figura 10. Para os dados de corte utilizados e para a condição da peça em questão, os chanfros intermediários apresentaram maior vida útil e por isso foram escolhidos pelo cliente como a solução para o processo.
  • As pastilhas de PCBN Gesac apresentaram desempenho consistentemente superior ao dos tradicionais concorrentes avaliados.

(*) Anderson Fontes é Engenheiro de Aplicação e Carlos Ancelmo é Gerente Técnico da Gesac do Brasil

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